塔式容器应力分析

图!
塔体偏心弯矩的施加
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位移边界条件的施加
设计载荷计算应力强度 ! # 、 采用工作载 !$ 和 !%， ， 组合工况系数取 荷计算应力强度 ! & 、 !’ -.(。 ) 对于压力试验 ) 自重 ) 偏心载荷工况， 采用试验载 荷计算应力强度 ! # 、 组合工况 !$、 !%、 !& 和 !’， 系数对于气压试验取 -.-*， 对于液压试验取 -.(*。 对于其余部件的评定由于只考虑内压载荷， 组合工 况系数均取 -。 % 横向诱导震动附加载荷的考虑 由于塔器的高径比一般较大， 且高度值相对其 他设备也较高， 从宏观上类似于杆件结构。此种结 构受到迎风的压力作用时， 会产生卡门涡街效应， 即 与迎风垂直方向产生横向诱导振动， 当此振动频率 与塔体的自振频率接近时， 诱导振动的附加弯矩会 对塔体强度产生显著的影响。在塔体的分析设计 中， 应考虑此诱导振动产生的附加载荷。方法是按 采用偏心载荷 $% !&-# 提供的方法计算出附加弯矩， 施加弯矩的方法将此载荷施加到有限元模型中， 以 实现相当情况应力的计算。 对于脉动风载荷产生的动力载荷及高振型产生 的地震附加弯矩载荷， 可采用类似的方法施加到有 限元模型中， 以实现结构应力的数值计算。 " 结语 完整的应力分析评定应对评定的结构给出结论 性的意见， 在分析设计中如评定结果不能完全通过， 应重新调整强度尺寸， 甚至修改结构设计后再分析， 直至强度、 疲劳均满足设计要求， 并应据具体分析给 出相应合理的技术要求， 核算分析应给出分析通过 与不通过的结论。
第 ## 卷 第 & 期 !""* 年 & 月 （!""*） 文章编号：&"""$%*(( "&$""#($"#
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塔式容器整体应力分析及评定
杨国义，寿比南，梅林涛
（全国锅炉压力容器标准化技术委员会，北京 &"""!’）
， 其工程设计的合理性愈来愈受到压
力容器行业重视。近年来， 随着计算机软硬件技术 的发展及计算机数值计算技术水平的提高， 使这一 设计方法在压力容器设计领域得到了广泛应用。 钢制塔式容器是石油化工、 轻工、 纺织和冶金等 领域广泛使用的设备， 在设备总投资中约占 !"X Y #"X 。塔设备的合理设计与否将直接影响企业的投 资构成， 同时对设备安全运行至关重要。塔器的现
其施加各种载荷存在一定的技巧性。 !%"
压力载荷的施加 图" 风载塔对塔式容器作用的压力分布
压力载荷为面力载荷， 对单纯承受气体内压的 情形只要选取内表面后施加均匀内压即可， 如含有 液柱静压力就应施加具有一定梯度的压力截荷 （梯 度方向应沿垂直于地面的轴线进行） ， 施加这种载荷 后实质是已考虑了塔器内盛物重力载荷。见图 &。
［"］ 法 。具体计算： 式中， !" ’ !! 2 " !" 为当 !& "& * "! ， 量密度， !! 为塔壳材料密度， !& 为内盛物的密度，
"! 为塔壳的静体积， "& 为塔体内部体积， () * ++" ； +" ； " 为充装系数。 !%%
图& 具有液柱静压力作用的载荷施加路径 偏心载荷的施加
由塔器整体结构特性及承载特性， 施加位移的 边界条件： !在整体结构的对称面上加对称边界条 件。"裙座的下端控制整体坐标的三向位移为 #。 # 塔器整体与部件的应力分析 在 $% !&’( 中， 根据应力产生的原因及作用性质 或对容器强度的影响进行了分类， 对不同性质的应 力强度分别采用极限分析、 安定性或疲劳分析的观 点加以限制， 但在具体评定这些应力时为了处理问 题方便均将各种应力折算成弹性应力状态来处理， 即将应变完全看作弹性应变， 因此， 应力实质是虚拟 的， 实际采用的是应变控制。这种处理方法为工程 应用提供了便捷的方法， 在工程分析中就可以采用 弹性分析来处理。 由于工程分析中采用弹性分析来处理具体问 题， 因此， 在塔器应力分析中各种载荷引起的应力就 可以分别计算， 进而采用线性叠加的方法来计算各 种载荷组合工况下的应力。在塔器分析中应分别计 算自重载荷、 内压载荷、 风载荷、 地震载荷、 偏心载荷 和压力试验载荷引起的应力。在计算各种载荷引起 的应力时， 为了实现载荷组合， 必须注意有限元分析 模型应完全一致， 否则无法实现叠加 。其它各种 局部结构 （人孔、 接管等） 由于自重、 风和地震等影响 甚微， 在应力计算中只考虑内压载荷就可以了。 $ 载荷组合工况及结果的评定 对塔器的整体分析应考虑自重 ) 内压 ) 偏心载 荷、 自重 ) 内压 ) 风载荷 ) 偏心载荷、 自重 ) 内压 ) (*+ 风载荷 ) 地震载荷 ) 偏心载荷以及压力试验 ) 自重 ) 偏心载荷这几种载荷的组合工况， 并且对各应 力分析结果作出评定。评定时应对塔器主体上最大 应力强度点及其它危险部位作出路径， 以将应力线性
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自重载荷的施加
自重载荷是 ! 种体力， 在有限元分析中是通过 给定单元的材料密度和沿垂直地面的重力加速度来 施加的， 为计及梯子平台等的重力作用， 可以采用等 效加大塔体密度的方法来解决。即： "# ! ’!
万方数据 () * ++"； 式中， " 为体积， +" ； # 为重 ! 为材料密度，
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摘要：从压力容器分析设计的角度详述了塔式容器整体应力分析的过程、 方法及评定原则， 对一些 分析过程中的关键性问题进行了说明， 为解决塔器分析设计提供了可供工程参照的方法。 关 键 词：塔器；应力分析；有限元法；强度 文献标识码：. 中图分类号：+, ")#-#"&
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地震力的施加
地震力是 ! 种惯性体力， 施加地震力是通过给 定地震水平加速度和垂直加速度且给定塔器各种材 料密度后实现的。由于垂直地震作用产生的应力水 平较低， 一般情况下可不考虑垂直地震力的影响。 因建立有限元模型时没有考虑内盛物的模型， 故此 处没有考虑由于塔器内盛物引起的惯性力。对于这 部分惯性力可通过质量等效转移法做工程上的处 理， 即将内盛物的质量通过增大塔器壳体的密度来 考虑 惯 性 力。这 是 目 前 施 加 地 震 力 常 采 取 的 方
［!］ 行设计方法均基于常规设计方法进行 ， 常规设计
通过解析法计算出在考虑不同载荷组合情况下的初 设计结构各危险截面的应力， 进而对计算出的应力 进行评定， 实现对塔器的有效设计。由于解析法的 力学构建基础模型不可能对实际结构的复杂性进行 详尽的考虑， 因此实际上计算结果和具体的结构存 在或大或小的差异， 加之对各种应力采用统一的弹 性实效准则进行控制， 也给实际工程中材料的有效 利用造成了一定的影响。 基于上述原因， 采用分析设计方法实现塔器的
石
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化
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方向相反的面力作用， 通过面力的作用实现偏心弯 矩的施加， 见图 !。
对于自重 ) 内压 ) 偏心载荷工况， 采用设计载荷计 算应力强度 ! # 、 采用工作载荷计算应力 !$ 和 !%， 强度 ! & 、 组合工况系数取 - " #。 " 对于自重 ) !’， 内压 ) 风载荷 ) 偏心载荷工况， 采用设计载荷计算 应力强度 ! # 、 采用工作载荷计算应力强 !$和 !%， 组合工况系数取 - " (。 ( 对于自重 ) 内 度 !&、 !’， 压 ) (*+ 风载荷 ) 地震载荷 ) 偏心载荷工况， 采用
参考文献：
［-］ $% !&’( / -00*， 钢制压力容器分析设计标准 ［1］ " ［(］ $% !&-# / -00(， 钢制塔式容器 ［1］ " ［’］ 梅林涛， 杨国义， 寿比南 . 球形储罐应力分析及评定 ［ $］ " 压力 容器， （&） ： (##(， -0 -*,-& " ［!］ 王国强 " 实用数值模拟技术及其在 23141 上的实践 ［5］ " 西安： 西北工业大学出版社， -000. ［*］ 王泽军， 谭 蔚 . 压力容器应力分析中几个问题的讨论 ［ $］ "压 （孙编） 力容器， （增刊） ： (##-， -6 0#,0!.
塔器受平台梯子的附加部件及塔顶附加设备的 作用， 往往产生偏心载荷， 偏心载荷会对设备产生附 加弯矩， 其结果一般会对设备的应力状况产生不可 忽视的影响。因此， 塔体的应力分析一般需要考虑 偏心载荷的作用， 这是塔器应力分析不同于其他设 备应考虑的载荷。 由于力矩对构件的作用具有传递性， 而我们在 塔器分析中关心的截面往往在塔器底部及裙座底 部， 因此， 在施加载荷时， 可以将弯矩折算成等效的 !%!
收稿日期：!""#$"%$!&
万方数据（&’()$） 作者简介：杨国义 ， 男， 吉林人， 高级工程师， 工学硕士， 从事压力容器标准及技术咨询工作。
第!期
杨国义， 等： 塔式容器整体应力分析及评定
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几何结构特征及承载特性， 从工程处理问题的角度 总可以找出 ! 个对称面， 对于塔器的应力分析可取 一半来构建模型， 见图 !。
力加速度， + * ,& 。 !%#
风载荷的施加
风载荷对于塔器的作用随着位置的不同风压也 随之改变， 准确分析应从流体力学的角度来考虑， 其 沿水平半径方向及垂直的轴线方向都是变化的， 如 图 "。在工程处理中， 可近似按 !- + 高度分段来分 别施加风载荷， 即按 ./ 01!- 的处理方法。
图!
5$) 0.#+%：JDI;EIF SIJJID；JAFIJJ <;<D4J5J；P5;5AI IDIHI;A HIAC3E；JAFI;NAC 分析设计方法是通过对所分析的设备在分析载 荷作用下产生的应力进行详尽的分类， 对不同应力 对应的应力强度给予不同许用极限， 进而实现设备 的有效设计
［&］
设计有其现实意义。迄今为止， 全面采用分析设计 方法实现塔器的设计尚未见报道， 作者的目的就是 为实现塔器的应力分析设计提供可供工程应用参考 的方法， 同时对分析中的关键点及评定方法进行了 说明。 6 载荷分析及模型构建 由于塔式容器的结构承载特性， 在考虑其载荷 作用时， 不仅要考虑内压、 风载等的面力作用而且应 考虑重力等体力的影响， 偏心载荷也往往是必须计 及的载荷。完整的塔器分析应考虑以下载荷： !压 力作用， 液柱静压力作用超过设计压力的 )X 时尚 应计及液柱静压的作用。"塔器的自重作用。#风 载的面力作用。$ 地震的体力作用， 包括水平地震 力和垂直地震力， 一般情况下只考虑水平地震的作 用。%偏心载荷。 在构建整体塔器的模型时， 考虑到塔器的各种 开口接管对于整体来说影响相对较小， 从整体分析 的角度其影响作用只是局部的， 加之整体分析中重 点计算在各种载荷作用下塔器壳体与裙座相接部位 及塔器底部的应力状况， 在构建整体分析模型时可 将各种接管忽略。在构建模型的规模上， 综合考虑
塔形容器分析模型的简化
对于塔器各种开口接管局部部位的分析， 由于 风载、 地震载荷及自重载荷等影响很小， 因此力边界 条件只考虑压力载荷和接管引起的载荷。 ! 各种力边界条件及位移边界条件的施加 正确施加各种力边界条件及位移边界将直接影
［" # $］ 响分析结果的正确性 ， 对于塔器尤其如此， 因对
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